用于電動汽車的熱管式暖風加熱器換熱性能試驗

李興宇 李世杰 董宏博 張宇晴 臧彬蔚

東北林業大學 交通學院 黑龍江省哈爾濱市 150040

1 引言

電動汽車的開發與應用已成為各國汽車工業積極探索的焦點。而電動汽車冬季采暖問題一直未得到很好的解決[1]。目前國內外電動汽車采暖方式有：PTC熱電阻、PTC+驅動電機、熱電空調+局部加熱、熱泵空調、潛能器加熱，其中潛熱器加熱實質為化學反應生熱，存在較大安全隱患[2-5]。目前電動汽車冬季采暖主要是依靠電能，而這種采暖方式嚴重影響電動汽車的續航里程[7]。

2 加熱器結構及工作原理

2.1 加熱器結構

用乙醇作燃料并利用熱管導熱技術的加熱器（以下簡稱加熱器）總體結構，如圖1所示。加熱器分為燃燒器和換熱器兩大部分，燃燒器由控制單元12、燃料泵10、噴油器4、電熱塞5、溫度傳感器9、燃燒室7等組成；換熱器主要由熱管8組成；

為了使熱管表面能夠充分接觸熱空氣，將熱管交叉排布熱管排布的俯視圖，如圖2所示。

2.2 燃燒控制原理

點火預熱時，控制單元（ECU）控制燃料泵供給少量乙醇給噴油器，同時ECU控制電熱塞加熱產生量熱，引燃霧化蒸發后的乙醇燃燒，實現對燃燒室預熱。

正常加熱時，ECU控制燃料泵向噴油器供給的乙醇量增加，并由已燃混合氣連續不斷引燃蒸發霧化的乙醇持續燃燒；燃燒產生的熱量被燃燒室散熱片傳導到流經加熱器的冷空氣[8]，且在點火結束及燃燒正常進行的條件下ECU控制電熱塞停止工作。

溫度傳感器將燃燒室散熱片的溫度信息傳輸給ECU，根據溫度信息ECU控制直流電動機控制模塊，調控電機的工作狀態；ECU的點火控制模塊，按照已設定的點火延時和點火時長對電熱塞進行點火控制；ECU的燃料供給控制模塊判斷實時溫度是否達到或超過預設溫度來調節燃料泵供給的乙醇量，實現穩定、安全的燃燒過程。

圖1 加熱器總體結構示意圖

圖2 熱管排布俯視圖

2.3 熱管導熱原理

熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內充以適量的工作液體并加以密封。熱管的兩邊分別為蒸發和冷凝段，在這兩段中間由一段為絕熱段。當熱管的一端受熱時蒸發段中的工作液體蒸發汽化，在另一端冷凝放熱，工作液沿多孔材料靠毛細作用流回蒸發段，如此循環工作。換熱單元工作時，熱管利用尾氣中殘余的熱量加熱空氣，可使能量利用效率提高并使尾氣溫度降低；直流電動機帶動風扇將加熱的空氣吹入駕駛室，如此往復循環加熱駕駛室內的空氣。

3 加熱器性能檢測試驗

3.1 檢測要求

為分別計算加熱器最大功率下無換熱器和有換熱器時的能量損耗功率，試驗中應在圖1的A點和B點用溫度計和風速儀檢測廢氣排放口溫度和風速；由于A點溫度過高無法直接測出風速，所以用微壓儀檢測動壓間接計算風速；為檢測尾氣的成分，用氣體檢測儀分別測量圖1的A點和B點的廢氣中CO的含量。

3.2 檢測儀器

使用的檢測儀器主要包括：溫度計、微壓儀、氣體檢測儀、風速儀等，見表1所示。

3.3 試驗過程

3.3.1 溫度測量。加熱器在最大功率下正常工作時，分別用溫度計測出圖1中A、B兩點廢氣排放口溫度，每組試驗分別記錄50組，每組數據間隔30s，并記錄試驗環境溫度。

表1 檢測儀器主要性能指標

3.3.2 風速測量。加熱器在最大功率下正常工作時，用本試驗選定的風速儀（量程：0.7-30m/s）測出圖1中B點廢氣風速，約每組試驗分別記錄50組，每組數據間隔30s，并結合其直徑計算空氣流量并記錄試驗環境溫度。由于圖1 A點廢氣溫度過高無法直接測量風速，試驗通過動壓間接計算風速。并記錄試驗環境溫度。

3.3.3 尾氣成分檢測。由于未改裝的加熱器，應用乙醇燃料存在燃燒不充分的問題，尾氣成分的檢測實質上是檢測乙醇是否燃燒充分，所以改裝后在最大功率下正常工作時，用本試驗選定的氣體檢測儀測定尾氣成分，并記錄試驗環境溫度。試驗溫度16.3℃。

4 檢測結果分析

4.1 廢氣溫度分析

A點和B點廢氣排放口溫度隨時間變化數據，如圖3所示。

圖3 廢氣排放溫度檢測結果

測得試驗環境溫度為33.0℃。且由圖可知，A點廢氣平均溫度為132.96℃；B點廢氣排放口的平均溫度為61.6℃，由此可見加熱管換熱器之后廢氣溫度明顯下降。

4.2 廢氣流量分析

A點的廢氣排放口動壓平均值為38.71Pa，測得試驗溫度為22.5℃。

由下列公式計算A點廢氣流速[2]，

式中：g-重力加速度，9.8m/s2；

h-平均動壓頭，mmH2O；

ρ-空氣密度，由當地大氣壓以及當地室內溫度確定，kg/m3。

計算A點廢氣排放口風速為：7.76m/s。

試驗直接檢測B點廢氣排放口平均風速為0.2m/s，且試驗環境溫度為28.0℃。

廢氣流量由下列公式確定[6]，

式中：Q-廢氣流量，L/h；

S-出風口面積，mm2。

計算知A點平均風速為7.76m/s、測量知A口直徑為22mm，推出空氣流量為1.0614×104L/h。

計算知B點平均風速為0.2m/s、測量B口面積S=135×103=13905mm2，則空氣流量為 1.0012×104L/h。

4.3 廢氣換熱功率分析

廢氣溫度的分析其實就是分析損耗功率，損耗功率P損由下式計算，

P損=（T2-T0）×1290×Q2×10-6/3600kW（3）

式中：T2-穩定工作時尾氣排放口溫度（℃）；T0-室溫（℃）；

Q2-尾氣排放口氣流量，L/h。

所以加熱器最大功率下無換熱器損耗功率為：

P損=（123.96-33）×1290×1.0614×104×10-6/3600=0.38kW；

加熱器最大功率下加熱管換熱器時的損耗功率為：

P損=（61.6-33）×1290×1.0012×104×10-6/3600=0.10kW。

由此可見無熱管換熱器時的損耗功率明顯高于加熱管換熱器的損耗功率。

4.4 廢氣成分分析

由檢測結果可知，加熱器未改裝時尾氣中一氧化碳含量為492.4PPM；改裝后的加熱器尾氣中一氧化碳含量為91PPM，由此可見無熱管換熱器時尾氣中一氧化碳含量明顯高于加熱管換熱器時尾氣中一氧化碳含量。

5 結語

（1）試驗結果表明，加熱器最大功率下不加熱管換熱器損耗功率為0.38kW；加熱管換熱器時的損耗功率為0.10kW。加熱管散熱器后的加熱器損耗功率更小，這意味著相同燃料消耗量下加熱管換熱器后被有效率利用的功率提升，經濟性更好。（2）試驗結果表明，加熱器未改裝時尾氣中一氧化碳含量為492.4PPM；改裝后的加熱器尾氣中一氧化碳含量為91PPM，說明改裝后乙醇燃料燃燒更充分，所以加熱器改裝之后環保性和安全性更好。